Работала ведущим специалистом, затем начальником управления государственного и международного права Главного государственного правового управления Администрации президента Республики Беларусь. В 2001 году стала пресс-секретарём Александра Лукашенко, в 2004 году – заместителем главы президентской администрации.

В 2004–2010 годах заместитель, затем – первый заместитель главы Администрации президента Беларуси. 9 января 2009 года назначена первым заместителем главы Администрации президента Республики Беларусь. Эту должность занимала до 28 декабря 2010 года.
В 2010–2014 годах работала помощником президента Республики Беларусь. 1 октября 2014 года Александр Лукашенко своим распоряжением освободил Наталью Петкевич от этой должности.